Casio911

Он неправильно описывает основную проблему обычного кривошипно-шатунного двигателя. Автор пишет, что шатун «изгибается» и поэтому прижимает поршень к цилиндру. Шатун в нормальном двигателе практически не должен изгибаться. Боковая сила возникает потому, что шатун стоит под углом к оси цилиндра: осевая сила раскладывается на продольную и поперечную составляющие. Это действительно создаёт piston side thrust и трение, но физика другая.

Ещё хуже утверждение, что поршень «зависает в ВМТ», и это якобы само по себе потеря КПД. Скорость поршня в ВМТ действительно равна нулю — такова кинематика любого возвратно-поступательного движения. Но коленвал в этот момент продолжает вращаться. Более того, некоторое пребывание около ВМТ может быть полезно для приближения сгорания к постоянному объёму; существуют работы, где оптимизированная траектория специально увеличивает dwell около ВМТ.

Его двигатель фактически перестаёт быть «свободнопоршневым» в обычном инженерном смысле. У настоящего FPE нет кривошипного механизма, жёстко задающего траекторию поршня: положение поршня определяется балансом газовых, инерционных и электрических/гидравлических сил. Именно поэтому возможна свободная вариация хода и степени сжатия.

У Шадрина же поршни через штоки → ролики → траверсы → шатуны → каретки → маховики соединены с вращающимся валом. Это просто очень сложный регулируемый кривошипно-рычажный механизм. Посмотрите на фиг. 6–9: вращение вала однозначно задаёт возвратно-поступательное движение системы.

То есть он пытается устранить коленвал, а затем практически заново строит его функцию из множества деталей.

Именно рисунки показывают крупнейшее механическое противоречие: снижение трения достигается устройством с огромным количеством новых пар трения. На схемах появляются ролики по траверсам, направляющие, тарельчатые пружины, червячные пары, конические передачи, несколько скользящих кареток, три маховика, подшипники, планетарный механизм, насосные шестерни и т. д. НАМИ отдельно замечает, что конструкция содержит более 150 деталей и что автор не представил расчёт, показывающий преимущество такой системы.

То есть заявление «уберём трение поршня — получим высокий КПД» ничего не доказывает. Возможно, часть piston-side friction он уменьшил, но мог потерять гораздо больше на остальных элементах. Нужен хотя бы friction mean effective pressure или полный mechanical efficiency budget. Его нет.

Каретки внутри маховиков на фиг. 6–8 — крайне тяжёлое место конструкции. Автор пишет, что каретка 108 «свободно ходит внутри маховика». Она несёт палец шатуна и меняет радиус вращения.

Но вращающаяся каретка испытывает огромную центробежную нагрузку. Для масштаба: всего 0,5 кг на радиусе 100 мм при 3000 rpm создаёт около 4,9 кН радиальной силы. Эту силу должен принять шатун и направляющая каретки. Плюс сверху накладывается циклическая сила сгорания.

Поэтому эта каретка не будет «свободно ездить» без последствий: либо нужен мощный роликовый/гидростатический направляющий узел, либо возникнут огромные контактные нагрузки, трение и износ. На рисунках решения этой задачи нет.

Маховик у автора внезапно превращается в «дифференциал». Это просто неверно. Он пишет, что «маховик и шатун работают как дифференциал, то есть выравнивают крутящий момент и скорость», а затем утверждает, что при изменении хода поршня скорость и момент на валу почти не меняются.

Маховик может сглаживать колебания угловой скорости, запасая и отдавая кинетическую энергию. Но он не создаёт автоматически нужное передаточное отношение и не позволяет независимо сохранить и момент, и обороты при изменении геометрии механизма. Всегда действует

P = M × ω.

Меняется механическое плечо — меняются силы, скорости элементов и момент. Это может работать как некий CVT-механизм, но тогда его характеристики надо рассчитывать. Фраза «практически не меняются» расчётом не подкреплена.

С его «тройным наддувом» нет нарушения физики, но автор обращается с компрессией почти как с бесплатной энергией. Он заявляет, что из ~1,5 атм получает 7–8 атм благодаря вытеснительным поршням и вкладышу 80.

Так сделать принципиально можно: это компрессор. Если уменьшаем объём воздуха, давление растёт. Но работу по сжатию кто-то должен выполнить — в его случае её отбирают у тех же поршней двигателя.

Поэтому нельзя писать цепочку «сжали сильнее → стало больше воздуха → лучше сгорает → вырос КПД», не показав:

работу компрессора;

нагрев при сжатии;

эффективность промежуточного охлаждения;

давление после интеркулера;

pumping losses;

максимальное давление в цилиндре.

7–8 бар на впуске — уже настолько серьёзный boost, что прочностные и тепловые нагрузки становятся одним из главных вопросов конструкции.

Самая очевидная фактическая ошибка в тексте — про дизель и свечи накаливания. Автор пишет примерно: дизель загорается от высокого сжатия и температуры, «для этого используют свечи накаливания». Нет. Дизель при нормальной работе воспламеняется от температуры воздуха после сжатия. Свеча накаливания нужна главным образом для обеспечения холодного запуска и улучшения холодного сгорания/эмиссий. NGK прямо указывает: нормальное дизельное топливо воспламеняется самопроизвольно после впрыска в горячий сжатый воздух.

И его следующее заключение — «меняем степень сжатия и можем работать практически на любом жидком или газообразном топливе» — тоже чрезмерно. Степень сжатия лишь одна переменная. Нужно учитывать октановое/цетановое число, AFR, скорость пламени, способ зажигания, вязкость, испаряемость, давление и тип форсунки, knock, pre-ignition, emissions и aftertreatment. Даже современные dual-fuel natural-gas compression-ignition двигатели обычно используют отдельную систему газа и pilot injection дизеля.

Именно поэтому замечание НАМИ насчёт «датчика топлива» совершенно не такое глупое, как пытается представить автор. Они спрашивают: какие именно физико-химические параметры он собирается измерять в реальном времени и каким образом? И это правильный вопрос.

Он сильно упрощает проблему двухтактного двигателя. Из поста получается: два такта → остаются выхлопные газы → топливо плохо горит → низкий КПД.

Scavenging действительно является одной из ключевых проблем двухтактников. Но это не означает автоматически плохого сгорания и низкого КПД. В исследованиях свободнопоршневых двухтактных генераторов получают scavenging efficiency порядка 90% и рассматривают эффективный КПД порядка 40–46%. Именно поэтому большая часть современных исследований FPEG использует два такта.

А четырёхтактный free-piston наоборот создаёт неприятную проблему: в тактах без сгорания линейный генератор приходится использовать как мотор. В одной сравнительной работе почти половина indicated power четырёхтактной схемы уходила на pumping/motoring process.

Идея с «звуковым Стирлингом», который погасит шум винтов, практически не работает в описанном виде. Автор предлагает подобрать длину трубы так, чтобы волна Стирлинга и звук винта оказались в противофазе.

Но винт не генерирует одну синусоиду постоянной частоты. Есть blade-passage frequency, множество её гармоник и broadband-компонента; спектр меняется с оборотами, нагрузкой, скоростью полёта и направлением наблюдения. NASA отдельно описывает и тональные гармоники, и широкополосный шум пропеллеров.

Противофазная волна может дать хорошее подавление в определённом месте и на определённой частоте, но в другом месте эти же волны могут складываться. Именно поэтому настоящие active-noise-control системы используют датчики, несколько вторичных источников и постоянно меняющуюся фазу. Даже такие системы дают разную эффективность для первой и второй гармоники.

Поэтому «рассчитаем длину трубы и винт станет тихим» — один из самых слабых моментов поста.

Цифры эффективности у него появляются буквально из воздуха. Сначала Стирлинг якобы даст дополнительно 7–10%, затем для грузовика внезапно получается «экономия почти в два раза относительно обычного дизеля».

Waste-heat recovery Стирлингом вполне реальна. Но, например, исследование системы для тяжёлого грузовика получило примерно 1% снижения расхода топлива после учёта практической мощности системы. Другие моделирования показывают несколько процентов и иногда больше, но требуется полноценный тепловой баланс.

Для сравнения, DOE ставило для очень продвинутого heavy-duty diesel цель около 50% brake thermal efficiency, с исследованиями пути к 55%. Чтобы буквально уменьшить расход такого 40–50%-эффективного двигателя вдвое при той же полезной работе, пришлось бы приблизиться к фантастическим ~80–100% tank-to-shaft.

Отдельно про его начало насчёт «летающего автомобиля». Тут он частично играет определениями. Он прав, что обычный eVTOL — скорее летательный аппарат, чем автомобиль. Но утверждение «летающий автомобиль так и не создан» уже слишком категоричное: AirCar получил сертификат лётной годности в Словакии, PAL-V уже допущен к дорогам и проходит авиационную сертификацию EASA. Это именно машины, рассчитанные и на дорогу, и на полёт. Другое дело, что массового VTOL, который выезжает из обычного гаража и вертикально стартует с парковки, действительно пока нет.

И с батареями картина похожая. Автор прав в одном: нынешняя удельная энергия аккумуляторов действительно намного хуже жидкого топлива и особенно неприятна для вертикального взлёта. NASA рассматривала примерно 400 Wh/kg как важный ориентир даже для general electric aviation и значительно больше для regional aviation. Но утверждение «с батареями за десятилетия ничего не произошло» просто неверно: DOE, например, показывает более чем восьмикратный рост объёмной плотности Li-ion с 2008 по 2020 год, а современные программы уже нацелены на 350–500 Wh/kg на уровне элемента.

Поэтому вывод НАМИ, на мой взгляд, гораздо ближе к сути, чем считает автор. Они не говорят «такая кинематика невозможна». Они говорят: у нас есть очень сложная схема, но нет расчёта кинематики под нагрузкой, статических/динамических сил, геометрии, прочности, КПД, масс, ресурса, аварийных режимов и рабочего прототипа. В таком состоянии это именно концептуальный патентный рисунок, а не проект двигателя, для которого уже можно заявлять «маленький, мощный, очень экономичный, любое топливо, +10% КПД и почти вдвое меньший расход».